基于慣性技術(shù)的地下管線測量系統(tǒng)研究

摘 要：基于慣性技術(shù)的地下管線測量系統(tǒng)及其測算方法，應(yīng)用于各種材質(zhì)和埋深的地下管道的三維信息測量。該方法測得的各種姿態(tài)、航向和里程等信息均系自主測量得到，不受外界環(huán)境和管道材質(zhì)影響，因此測量的地下管線信息具有精度高、自主性好的特點。

關(guān)鍵詞：慣性技術(shù)；測算方法

1 概論

地下管道是敷設(shè)在地下用于輸送液體、氣體或松散固體的管道，當出現(xiàn)地下管道破裂、堵塞或者老化等情況時，具體的定位、查找管線十分麻煩，耗費時間比較長等，市面上逐漸出現(xiàn)地下管線的測量快速定位裝置，種類繁多、樣式各異，但現(xiàn)如今銷售的測量快速定位裝置還存在著一些或多或少的不足影響人們的使用。

隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進，地下管線測量定位有著日益廣泛的需求。工程中通常采用電磁管線定位儀、探地雷達等對地下管道進行測定。從原理上來說，這些常規(guī)的測量方法存在以下缺陷：第一，可測量的管道埋深較淺，通常不超過5米，個別性能好的儀器也不超過10米。第二，測量精度易受電磁場和鐵磁物體干擾，當測量現(xiàn)場附近存在強電磁干擾源如電力管道、大型工程設(shè)備時效果差。第三，每一種方法都只適用于某一類材質(zhì)的管道測量，缺乏通用性。第四，依賴人工在被測管道上方作業(yè)，例如管道穿過公路時給作業(yè)帶來危險，或當管道經(jīng)過水面和建筑物時無法測量。

2 技術(shù)方案

鑒于以上原因，目前亟需一種自主、抗干擾、能夠適用于各種管道的地下管道三維測量技術(shù)。慣性技術(shù)（InertialTechnology）是研究利用慣性傳感器（陀螺儀、加速度計）進行導(dǎo)航與制導(dǎo)的一門學(xué)科。慣性導(dǎo)航是一種完全自主的載體定位技術(shù)。在慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，運用慣性技術(shù)和航道推算原理，用陀螺儀測量載體的轉(zhuǎn)動，用加速度計測量載體的平移加速度，從而推算出載體的瞬時速度、位置和姿態(tài)。組成慣性導(dǎo)航的設(shè)備都安裝在載體內(nèi)，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式定位系統(tǒng)。20世紀慣性技術(shù)突飛猛進，定位精度不斷提高，使得其應(yīng)用面不斷拓展，現(xiàn)代各種航空、航天、航海運載體都是采用以慣性導(dǎo)航為中心的組合導(dǎo)航系統(tǒng)來完成導(dǎo)航、制導(dǎo)任務(wù)。隨著近年來低成本、低功耗的微機械慣性器件興起，慣性定位技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于各種小型民用設(shè)備中。

2.1 系統(tǒng)組成

基于慣性技術(shù)的地下管線測量系統(tǒng)及其測算方法，運用慣性技術(shù)元器件和航道推算原理用于地下管線進行測量，優(yōu)先適用于管徑90mm以上地各種材質(zhì)、埋深管道的自主、抗干擾測量。包括管道測量單元和外部供電單元共六個部分：

（1）陀螺儀，用于提供管道當前段航向角信息，陀螺儀采用小型光纖陀螺或微機械陀螺。

（2）加速計，用于提供管道俯仰角信息；

（3）光電編碼器的里程計，用于測量管道長度；

（4）高性能微處理器，帶有高精度A/D接口，負責采集各傳感器信號并進行位置計算、數(shù)據(jù)融合，通過長距離通訊模塊將出解算管道三維信息輸出到PC機，以供進一步處理。

（5）采用硬鋁材料加工的外殼，尺寸小巧，具有良好的抗沖擊和防水性能，可屏蔽電磁干擾，確保內(nèi)部傳感器和電路正常工作。

（6）外部供電單元：提供直流穩(wěn)壓電源，負責管道測量單元的電源供給。

管道測量單元通過電纜與外部供電單元和地面計算機相連，將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送至地面計算機進行顯示、存儲。

2.2 測算方法

（1）硬件連接：分別將管道測量單元的電纜和鋼纜正確連接，打開系統(tǒng)電源。

由鋼纜牽引在管道內(nèi)運動，用于探測管道的三維信息。使管道測量單元沿管道運動，由它對管道各位置的航向、姿態(tài)角和長度信息進行測量，直至走完管道全程。

（2）運用航跡推算原理綜合航向角、姿態(tài)角和長度信息，進行管道三維信息記錄，從原理上來說，將管道測量單元放入管道并使之沿管道運動，該運動軌跡可以完全表達管道的三維信息。航跡推算原理就是把軌跡分為若干段，每一段近似為直線，其三個正交方向的位移增量可以通過直線長度結(jié)合航向角、姿態(tài)角的三角函數(shù)關(guān)系計算得出。將每一段的唯一增量累積起來，就可以推算出完整的運動軌跡。

（3）采用加速度計和陀螺儀測量管道航向、姿態(tài)角：該測量方法用加速度計直接敏感重力加速度測量姿態(tài)角，用陀螺儀測量航向角，與深度、位置和周圍電磁場無關(guān)，從而能不受其它條件制約，理論上在任意深度上均能實現(xiàn)航向、姿態(tài)角自主測量；

（4）采用光電編碼器設(shè)計的里程計，用于采集長度信息，管道測量單元在管內(nèi)運動時，其腳輪緊貼管壁滾動，由光電編碼器將腳輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖計數(shù)，通過計算得到長度信息；

（5）測量結(jié)果離線校正方法，即測量完成后利用全球定為系統(tǒng)GPS或光學(xué)測量手段獲知管道入口、出口或中間特征點的位置信息，對管道三維信息進行修正、補充。

參考文獻：

[1]徐長虹，王英林.陀螺慣性定位技術(shù)在非開挖深埋管線探測中的研究與應(yīng)用[J].測繪通報，2016，（S1）：84-88.

[2]陳亮.慣性陀螺定位技術(shù)與可視化驗管工藝在管線探測中的應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì)，2017，29（07）：75-79.

作者簡介：張開運（1985-），男，漢族，安徽省和縣人，?？?，助理工程師，目前從事測繪工作，主要為地形圖測量，工程測量等。